автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Исследование СВЧ модулятора и демодулятора высокоскоростной FSK

На правах рукописи

ГРИНЕВ ВЛАДИМИР ВЛАДИМИРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ СВЧ МОДУЛЯТОРА И ДЕМОДУЛЯТОРА ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ РБК

Специальность 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2010

003493365

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича на кафедре Радиоприема, вещания и электромагнитной совместимости.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Устименко Вячеслав Михайлович

Научный консультант:

кандидат технических наук, с.н.с. Назаров Владислав Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, проф.

Томашевич Сергей Викторович

Ведущая организация:

кандидат технических наук, доцент Ветринский Юрий Анатольевич

Санкт-Петербургский филиал ФГУП НИИР-ЛОНИИР

Защита диссертации состоится « $ .» 04 2010 г. в «_ » часов на заседании диссертационного совета Д.219.004.01 при Санкт-Петербургском государственном университете телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения, просим направлять по адресу: 191186, Санкт-Петербург, наб. реки Мойки, д. 61, на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Автореферат разослан « ОЗ 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ( — В.В. Сергеев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Современный уровень техники радиосвязи не исчерпал потребность в скоростных каналах передачи. Широкое внедрение компьютерных технологий привело к существенному росту объема цифровых данных, передаваемых в режиме реального времени. Потребность передачи возрастающего объема информации неизбежно приводит к необходимости повышения скорости передачи данных, поэтому проблема увеличения быстродействия каналов радиосвязи не теряет своей актуальности и по сегодняшний день.

На данный момент самыми распространенными и быстро развивающимися системами высокоскоростной беспроводной связи являются WLAN 802.11b, 802.1 lg, 802.11а, 802.1 In, Bluetooth, WiMAX, Wireless USB. Основу перечисленных систем составляют различные фазовые (BPSK, QPSK) или квадратурные амплитудные модуляции (QAM-16, QAM-64, QAM-256, QAM-1024). Их применение позволяет увеличить эффективность использования спектра частот (ЭИС). Увеличение числа позиций приводит к необходимости повышения отношения сигнал/шум на входе детектора, что требует увеличения мощностей передачи сигналов, либо сокращения дальности связи. Возрастают также требования к линейности усилителей для уменьшения уровня интермодуляционных продуктов. Этот эффект неизбежно приводит к увеличению потребляемой энергии, что отрицательно скажется на времени работы мобильных устройств, таких как Bluetooth, Wireless USB и т.д.

Альтернативой PSK и QAM может быть частотная манипуляция FSK, которая не требует высокой линейности тракта усиления и позволяет использовать усилители с высоким кпд. Такая модуляция представляет интерес для мобильных передатчиков, работающих от автономного блока питания. Использование FSK упрощает радиочастотный тракт, так как огибающая сигнала остается постоянной. При FSK требуется, чтобы переход от старой частоты сигнала к новой происходил максимально быстро (от этого зависит скорость передачи), что приводит к прерывному изменению выходного сигнала, во время которого выделяется много энергии на частотах, выходящих за рамки используемого частотного диапазона. Ограничение скорости модуляции частотных модуляторов несущей частоты в современных СВЧ системах радиосвязи связано с тем, что для возбуждения гармонических колебаний в схеме генератора нагруженная добротность контура, подключенного к активному элементу генератора, должна быть больше некоторой предельной величины, зависящей от типа активного элемента.

Повышение скорости передачи на основе FSK возможно при использовании элементов с малой инерционностью. Таким элементом является диод Ганна. Это устройство характеризуется собственной постоянной времени порядка единиц пикосекунд, что позволяет считать его перспективным для высокоскоростных систем передачи данных. Малая инерционность диода Ганна наиболее полно может быть реализована в релаксационном низкодобротном режиме его работы в составе модулятора с быстрым переключением частоты (FFSK, Fast Frequency Shift Keying).

Таким образом, разработка методов построения высокоскоростного радиомодема является актуальной проблемой для систем радиосвязи. Одним из путей решения указанной проблемы может служить использование малой инерционности релаксационного генератора на диоде Ганна для создания быстродействующей FFSK модуляции.

Объект исследования: высокоскоростная беспроводная передача данных.

Предмет исследования: построение модулятора и демодулятора, обеспечивающих прием и передачу малоинерционного FFSK сигнала, полученного с помощью низкодобротного релаксационного режима работы диода Ганна.

Целью диссертационной работы является разработка высокоскоростного FFSK радиомодема, работающего с использованием малой инерционности релаксационного генератора на диоде Ганна, и проведение его экспериментального и компьютерного моделирования.

В соответствии с основной целью и предметом исследования определены основные задачи исследования:

- провести анализ видов модуляции современных систем высокоскоростной беспроводной передачи данных; детально рассмотреть возможности непрерывной (без разрыва фазы) FSK модуляции; исследовать методы получения FFSK модуляции на основе релаксационного генератора; выбрать необходимый режим работы диода Ганна для обеспечения малой инерционности FFSK модуляции;

- разработать метод анализа модулятора на основе релаксационного генератора на диоде Ганна, создать и отладить программу автоматизации расчетов;

- определить и исследовать модель быстродействующего демодулятора FFSK сигнала без разрыва фазы. Рассмотреть различные схемы детектирования, проанализировать их и дать рекомендации по способам построения и выбору параметров детекторов FFSK;

- провести экспериментальное исследование модулятора и математическое моделирование детектора FFSK сигнала с применением специальных программ;

- обеспечить внедрение полученных результатов.

Методологическую и теоретическую основы исследования составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в области передачи данных.

Методы проведения исследований. Для решения поставленных задач использовались методы математического моделирования, метод конечных элементов, методы нелинейного анализа в СВЧ проектировании (метод гармонического баланса), численные методы на основе уточняющей процедуры Рунге-Кутта, программирование в среде Delphi, метод обобщения опыта.

Научная новизна и новые полученные результаты:

1. Показано, что для построения высокоскоростного СВЧ FFSK радиомодема удобно использовать релаксационный низкодобротный режим работы диода Ганна.

2. Разработан новый метод анализа релаксационного генератора на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик с учетом второй гармоники напряжения на нагрузке. Отличие разработанного метода состоит в том, что ранее при расчете импедансных характеристик генератора на диоде Ганна вторая гармоника напряжения на нагрузки не учитывалась, что ограничивает

область импедансов нагрузки, в которой итерационная процедура сходится. При учете второй гармоники в напряжении на нагрузке диода Ганна обеспечивается форма колебания напряжения на кристалле диода, которая позволяет получить улучшения по коэффициенту полезного действия и чувствительности управления частотой. Особенно это важно при создании модулятора, в котором для повышения быстродействия необходимо получить согласование с нагрузкой по первой гармонике, а управление переключением частот проводить по второй.

3. Разработана и реализована программа расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна. Структура программы, а также использованный при её написании язык Delphi, сделали возможным её применение не только в научно-исследовательских целях, но и как законченный программный продукт. Данная программа зарегистрирована в ФИПС (свидетельство № 2007615090).

4. Разработаны модели быстродействующего детектора, пригодного для детектирования FFSK сигнала. Даны рекомендации по способам их построения.

Практическая значимость и реализация результатов работы:

1. Теоретическое решение задачи расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна позволило создать высокоскоростной модулятор для формирования FFSK сигнала.

2. На основе предложенного метода разработано и внедрено программное обеспечение, позволяющее организовывать автоматический расчет импедансных характеристик генератора на диоде Ганна с учетом и без учета второй гармоники напряжения на нагрузке.

3. Определена модель быстродействующего демодулятора, способного детектировать FFSK сигнал без разрыва фазы.

4. Решение задачи построения высокоскоростного радиомодема на базе релаксационного режима работы диода Ганна получено впервые и позволяет по аналогии в дальнейшем повысить скорость передачи в канале при использовании многопозиционной FFSK модуляции.

5. Материалы диссертационной работы использовались в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», а также в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича и Института ФСБ РФ (г. С-Петербург). Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Полученные в работе результаты докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге в 2004 - 2009 годах.

Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, включая 5 публикаций в виде тезисов докладов, 6 статей из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также в одной заявке на полезную модель, по которой получен патент РФ № 82389 и одной заявке на регистрацию программы, по которой получено свидетельство № 2007615090.

Структура и объём диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и четырех приложений. Основная часть работы содержит 179 страниц текста, 83

з

рисунка, 5 таблиц, включает 92 наименования отечественной и зарубежной литературы, объем приложений составляет 17 страниц.

На защиту выносятся следующие положения: 1. Использование низкодобротного релаксационного режима работы генератора на диоде Ганна позволяет создать РРБК модулятор со скоростью передачи более 4 Гбит/с.

2. Для анализа режимов работы модулятора удобно пользоваться импе-дансными характеристиками, рассчитанными с учетом второй гармоники напряжения на нагрузке диода Ганна, что обеспечивает улучшения по коэффициенту полезного действия и чувствительности управления частотой.

3. Программа расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна, созданная на основе разработанного метода, является пригодной для проведения научных исследований и решения практических задач.

4. Детектирование ЕРБК сигнала возможно при использовании в качестве частотно-чувствительного элемента короткозамкнутой или разомкнутой микро-полосковой линии. При определенной структуре детектора показана возможность детектирования ГИБК сигнала, передаваемого на скорости 2 Гбит/с.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, формулируются цель и задачи исследования, дается оценка новизны и значимости полученных результатов, излагаются выносимые на защиту научные положения. Там же приведена аннотация работы и описана ее структура.

В основной части диссертационной работы проанализированы современные системы высокоскоростной беспроводной передачи данных с точки зрения используемых в них видов модуляций. В отличие от фазовых и квадратурных амплитудных манипуляций частотная манипуляция ББК не требует высокой линейности тракта усиления, а также упрощает радиочастотный тракт из-за отсутствия синфазного и квадратурного каналов. Но частотная манипуляция обеспечивает относительно низкую скорость передачи из-за использования высокодобротных фильтров в радиотрактах для настройки на определенные частоты, что является недостатком классических схем РБК модуляторов и демодуляторов.

В ходе анализа частотной манипуляции было отмечено, что среди разновидностей РБК модуляции наибольший интерес представляют ансамбли ортогональных сигналов без разрыва фазы (СРРБК), обеспечивающие возможность когерентного детектирования. Выбор в пользу когерентной РБК в первую очередь связан с более высокой помехоустойчивостью и удвоением эффективности использования спектра по сравнению с некогерентной частотной манипуляцией.

Одним из путей повышения скорости передачи СРРБК является использование релаксационного низкодобротного режима работы модулятора с быстрым переключением частот РРБК. Любой двухполюсник, имеющий падающий участок на статической вольтамперной характеристике, нагруженный на низкодобротную цепь, в некотором диапазоне частот может генерировать релаксационные колебания, характеризующиеся большой скоростью изменения напряжения. В СВЧ диапазоне релаксационный режим может возникать в туннельных диодах

и диодах Ганна (ДГ). У туннельного диода существенно меньше уровень генерируемой мощности. В его работе используется туннельный эффект через слой объемного заряда, а в диодах Ганна задействован весь объем полупроводника, что упрощает проблему рассеяния тепла, выделяющегося при работе, и значительно увеличивает полезную СВЧ мощность. В данной работе рассматривался модулятор, для которого мощность имеет первостепенное значение, поэтому автор ограничился диодами Ганна.

Релаксационные колебания на ДГ возникают при достаточно малой величине емкости, подключенной непосредственно к кристаллу полупроводника. Если диод включен в колебательную систему с низкой добротностью, то изменение частоты генератора при переключении емкости в этой цепи будет происходить в течение малого числа циклов, в пределе за один. Поэтому релаксационный генератор можно использовать для модуляции методом быстрого переключения частоты.

Важным моментом при выборе схемы генератора является наличие стабильного релаксационного режима, для получения которого необходимо обеспечить подавление домена и исключить рассеяние энергии на высших гармониках.

В данной работе для подавления домена и возбуждения на диоде Ганна стабильных релаксационных колебаний за основу модулятора ЬТЗК была принята двухдиодная схема СВЧ генератора (рис. 1). Генератор содержит два диода Ганна, связанные через линию передачи 1, варикап 3, включенный в эту линию симметрично относительно диодов, линию передачи 2, отводящую мощность колебаний в нагрузку 5 через полосовой фильтр 4. Линия 2 подключена к линии 1 в месте включения варикапа. Полосовой фильтр согласует линию передачи 2 с нагрузкой 5 на основной частоте и имеет индуктивное входное сопротивление на частоте второй гармоники для изоляция диодов от нагрузки на частоте второй гармоники путем ее отражения в линии передачи 2.

Рис. 1. Схема FFSK модулятора на основе двухдиодного СВЧ генератора: 1 и 2 - линии передачи; 3 - варикап; 4 - полосовой фильтр; 5 - нагрузка; 6, 7 - диод Ганна; 8, 9 и 10 - фильтры нижних частот Переключение частоты осуществляется за счет регулирования амплитуды и фазы второй гармоники частоты в точках включения диодов Ганна посредством электрического управления емкостью варактора, изменение которой более эффективно влияет на режим колебаний в линии передачи 1 на второй гармонике, чем на первой, так как линия передачи 2 согласована и имеет относительно низкое волновое сопротивление, шунтирующее варактор на первой гармонике. На

второй гармонике линия 2 в сечении варактора имеет высокий импеданс и слабо шунтирует варактор.

Для анализа релаксационного режима работы диода Ганна был выбран метод построения импедансных характеристик, которые для ДГ в корпусе являются основой для получения оптимальных характеристик релаксационного генератора. Они представляют собой совокупность характеристик постоянной частоты и постоянной мощности на плоскости комплексного сопротивления схемы устройства с ДГ в точках подключения внешних клемм диода.

Ранее анализ релаксационного генератора Ганна проводился с учетом первой гармоники колебаний на контактах корпуса диода. Методика заключалась в решении обыкновенного дифференциального уравнения второй степени для ДГ в корпусе и последующем вычислении первых гармоник тока и напряжения на кристалле диода, которые позволяют определить комплексную амплитуду напряжения на внешнем (относительно корпуса ДГ) импедансе. При таком расчете ограничивается область импеданса, в которой итерационная процедура сходится.

Для проведения анализа модулятора на диоде Ганна была рассмотрена его эквивалентная схема (рис. 2). В исследуемой схеме нелинейная проводимость g(Uд) диода Ганна £> образует низкодобротный контур с собственной «геометрической» емкостью кристалла диода С и индуктивностью Ь, отображающей индуктивность контактной иглы и керна корпусного диода. В схему включен источник постоянного напряжения смещения 1/0. В точках 1-1 схемы включена (не показана) широкополосная линейная часть генератора, к которой отнесена емкость корпуса диода Ср. Поведение нагрузки описывается переменным синусоидальным напряжением =иср1со5{ах-<р1)+иср2ъо5(2со1-<р2), являющимся реакцией линейной части на ток с учетом второй гармоники.

При описании поведения диода принималось отсутствие напряжения на домене и однородное распределение электрического поля по длине диода, поэтому нелинейная проводимость диода определялась вольтамперной характеристикой (ВАХ), получаемой из известной характеристики о(Е), аппроксимируемой тремя линейными участками (рис. 3).

В зависимости от напряжения на диоде активная дифференциальная проводимость диода принимает три значения:

g=l/R0 - проводимость при напряжении ниже порогового, (1)

% = 2(-) - проводимость на падающем участке ВАХ диода, (2)

£ = 0 — проводимость на участке насыщения диода. (3)

и

Рис. 2. Исследуемая схема релаксационного генератора

Для каждого из участков с постоянным значением проводимости диода была найдена зависимость напряжения ил на диоде от времени путем решения линейного неоднородного дифференциального уравнения второго порядка с постоянными коэффициентами, построенного на основе системы уравнений для эквивалентной схемы (см. рис. 2):

= иср1 со5(2«/ (4)

где <р\, <р2 - значения фаз напряжений мср) и мср2 соответственно в начале линейного участка ВАХ диода, когда начинается отсчет времени /.

_-—.---Г-Н. кВ/см

6 8Е, 10 12 14

Рис. 3. Зависимость дрейфовой скорости и электронов от электрического ноля Е: а - реальная, б - линейная аппроксимация

Зависимость напряжения ия от времени в течение одного периода установившихся колебаний была определена путем сшивания решений для всех участков с постоянной проводимостью g. Для каждого из интервалов были определены величины нд, и'д и длительность интервала.

Например, для первого интервала получено:

(5)

Далее для расчета частоты и мощности, генерируемой ДГ во внешнюю нагрузку (сечение 1-1), были найдены комплексные амплитуды первых и вторых гармоник тока и напряжения на кристалле диода. Интегрирование выполнялось отдельно для каждого из пяти интервалов Т) - т5 полного периода колебаний.

Процедура последовательных приближений для вычисления величин частоты колебаний со, иср1, для некоторого значения импеданса нагрузки в плоскости диаграммы Смита начинается с выбора исходного значения со0 и нулевых приближений комплексных величин С/ср10, (Уср20- Осуществляется внутренний итерационный процесс для приведения соответствия частоты колебаний с длительностями интервалов. Исходные значения ш0, £/ср10, иср10 подставляются в

5

формулы для нахождения интервалов - т5. Затем находится г = и вычисля-

1

ется частота как 1/г. Если новое значение частоты достаточно мало отличается от первоначального, считается, что сходимость достигнута. Далее определяются комплексные значения гармоник напряжений и токов (7д1, 1д1, 0Л, /д2 и находятся новые значения напряжений и которые принимаются в качестве следующего приближения для повторного цикла расчетов.

Процедура повторяется до тех пор, пока разности и

^ср2м_^ср2(л-1) не окажутся меньше заранее заданного допуска. После этого определяется величина мощности первой гармоники, рассеиваемой в линейной

следующей точке на импедансной характеристике, а исходными величинами со, ^сР2 становятся найденные на предыдущем этапе. Полученные значения частот и мощностей наносятся на плоскость Смита, а для образования семейства кривых равных частот и мощностей точки с равными значениями соединяются.

Для автоматизации предложенного алгоритма автором была разработана специальная программа построения импедансных характеристик, которая зарегистрирована в ФИПС.

Анализ работы программы показал, что проведение процедуры расчета импедансных характеристик с учетом второй гармоники приводит к расширению области сходимости итерационного процесса и повышению мощности и коэффициента полезного действия используемого в модуляторе диода Ганна. Но область сходимости увеличивается только в нижней части частотного диапазона. На верхних частотах импедансные характеристики изменяются незначительно. Это объясняется тем, что с ростом частоты увеличивается реактивное сопротивление индуктивности контактов корпуса с кристаллом (£,), и для второй гармоники оно оказывается значительным, не пропуская ее в нагрузку. Именно поэтому на верхних частотах влияние второй гармоники получается мало заметным.

В ходе анализа в программе СВЧ моделирования НРББ на основе метода конечных элементов была проведена оптимизация конструкции линейной части модулятора и получен ее частотный годограф. Наложением импедансных характеристик диода Ганна на годограф конструкции линейной части модулятора определены две частоты стабильной генерации (9,75 и 11,25 ГГц), на которых обеспечивается передача двухпозиционного РР8К сигнала. Годограф с наложенными импедансными характеристиками для нижней частоты представлен на рис. 4.

На базе полученной модели модулятора была создана опытная волноводная конструкция, которая использовалась в эксперименте. Схема экспериментальной установки представлена на рис. 5. В связи со сложностью создания высокоскоростного импульсного потока работа модулятора оценивалась в статическом режиме при медленном переключении частот. В качестве модели информационного потока использовалась последовательность прямоугольных импульсов со скважностью 2 (меандр). Генератор прямоугольных импульсов с максимальной частотой повторения 1 МГц (скорость двоичного потока 2 Мбит/с) служил источником сигнала для РРБК модулятора. С выхода модулятора модулированный сигнал через направленные ответвители подавался на анализатор спектра и измеритель мощности. В эксперименте использовались диоды Ганна ЗА72Э и ва-ракторный диод ЗА617. Эксперимент подтвердил правильность расчетов и наличие стабильной генерации на частотах 9,75 и 11,25 ГГц.

части модулятора по формуле

происходит переход к

G.8 10

Рис. 4. Годограф на нижней частоте с наложенными импедансными характеристиками

Рис. 5. Схема экспериментальной установки исследования модулятора FFSK

Оценка быстродействия модулятора проводилась в специально написанной автором программе в среде Delphi. Процессы в динамической системе описывались с помощью системы обыкновенных дифференциальных уравнений, которая решалась численным методом с использованием уточняющей процедуры Рунге-Кутта. Анализ, проведенный в программе, показал, что в выбранной схеме двух-диодного релаксационного модулятора время переключения частот составляет один - два периода высокочастотного колебания. Следовательно, скорость передачи двухуровневого FFSK сигнала оказывается около 5 Гбит/с.

В качестве частотно-чувствительного элемента детектора FFSK сигнала предлагается использовать короткозамкнутый или разомкнутый отрезок линии передачи соответствующей длины. В сечении, удаленном от конца отрезка настолько, что разные частоты будут создавать в нем существенно различающиеся уровни электрического поля стоячей волны, устанавливается амплитудный детектор, в нагрузке которого выделялся модулирующий сигнал.

Схема детектирования двухпозиционного РРБК сигнала представлена на рис. 6. Она состоит из короткозамкнутой линии передачи, циркулятора и амплитудного детектора. Короткозамкнутый отрезок линии передачи 1 подключается к источнику РРБК сигнала 2 через циркулятор 3, обеспечивающий отсутствие повторных отражений в линии и согласование линии с источником сигнала. Амплитудный детектор 4 включается в линию 1 в сечении, отстоящем от коротко-замыкателя 5 на таком расстоянии, которое обеспечивает максимальное различие уровней электрического поля стоячей волны для различных частот РРБК сигнала.

Уменьшение габаритов детектора может быть достигнуто при обеспечении холостого хода на конце линии (рис. 7а). В этом случае минимальная длина от разомкнутого края равна четверти длины волны на нижней частоте модуляции. На верхней частоте в сечении установится значение напряжения стоячей волны, близкое к максимальному.

Увеличение чувствительности таких детекторов может быть получено при включении в линию передачи двух детекторных диодов, установленных в узлах /в и /„. В качестве полезного сигнала используется разность напряжений на выходах детекторов (рис. 76).

Рис. 6. Детектор ИРБК в режиме короткого замыкания и распределение напряжения стоячей волны вдоль линии передачи

2=0 г=; г=0 г=/

а) 6)

Рис. 7. Детектор БРвК: а) в режиме холостого хода; б) при подключении к линии передачи двух диодов

Длина линии передачи от места включения диода до ее конца определяет время установления режима стоячей волны после отражения. Чем отрезок линии короче, тем быстрее будет процесс установления стоячей волны и выше быстродействие. При этом длина отрезка задает расстояние Д/ между узлами нижней и

верхней частоты. В работе был вычислен уровень сигнала верхней частоты в узле нижней, получено соотношение между частотами для общего случая:

<6)

где п - число четвертьволновых отрезков, укладывающихся от края линии передачи до узла нижней частоты/,.

Построенные по (6) зависимости напряжения стоячей волны верхней частоты в сечении установки детекторного диода i/„ нормированного к его амплитудному значению Um от отношения верхней и нижней частот показали, что для получения высокого уровня напряжения UB в сечении установки амплитудного детектора необходимо увеличение полосы сигнала FFSK. При переходе к п=2 и выше уровень напряжения растет быстрее и достигает максимального значения при меньшем отношении /в//н. Это указывает на то, что увеличение длины отрезка линии от края до сечения включения детекторного диода позволяет сузить полосу частот сигнала FFSK при условии получения максимальной селективности детектора по частоте (см. рис. 8). Для получения высокого уровня напряжения верхней частоты в узле нижней для близко располагающихся частот, следует использовать отрезки линии с длиной не менее половины длины волны (п>2).

Рис. 8. График зависимости Щим от/»//„

Главное требование к детектору - достаточно малые постоянные времени заряда и разряда емкости нагрузки. Слишком низкое входное сопротивление секции схемы с амплитудным детектором может нарушить режим стоячей волны в линии передачи, что негативно скажется на скорости детектирования РР8К сигнала. Выбор высокого входного сопротивления, нагруженного на линию передачи, приведет к тому, что на детекторном диоде окажется очень низкий уровень сигнала, и детектирование будет невозможно.

Для того, чтобы в наименьшей степени нарушить режим стоячей волны в линии передачи при достаточном для детектирования уровне сигнала на диоде, было принято решение подключать его через специальную детекторную линию.

В ходе анализа входного сопротивления 2ВХ детекторной линии с нагрузкой было выявлено, что наибольший интерес представляет отрезок линии длиной А/8 принимаемой частоты. Его входное сопротивление определяется формулой

. R. + Л-У. + Р)

где р - волновое сопротивление детекторной линии,

Лн - активное сопротивление нагрузки, Хя - реактивное сопротивление нагрузки.

Из (7) следует, что если Хи -»о, модуль входного сопротивления такого отрезка линии будет равен ее волновому сопротивлению. Если Л„ ->0, входное сопротивление реактивное и при малых Хи также по модулю равно волновому сопротивлению.

Для определения влияния детекторной линии с нагрузкой на режим стоячей волны был вычислен на основе волновых матриц передачи коэффициент передачи входного сигнала с циркулятора в детекторный диод, в качестве которого использовался линейный эквивалент (последовательное соединение резистора и конденсатора). Это позволило установить параметры диода, обеспечивающие наилучший коэффициент передачи. В качестве примера на рис. 9 представлены графики зависимостей коэффициента передачи от емкости перехода Сд при Дд=10 Ом и сопротивления Лд диода при Сд=0,1 пФ для случая короткозамкну-той линии передачи (и=2).

0J 0.4 ».I 6.4

Cz. пФ

OJ 0J 1

\

\| \

Ял. Ом

Рис. 9. Коэффициент передачи в детекторный диод для режима короткого замыкания

Проведенный анализ показал, что наилучшими параметрами с точки зрения коэффициента передачи являются Дд=10 Ом, Сд=0,1 пФ, волновое сопротивление детекторной линии р=135 Ом.

Для сравнения коэффициентов передачи в нагрузку при различных длинах линии передачи и детекторной линии их значения сведены в табл. 1. Наиболее выгодным вариантом длины детекторной линии является XJ8, обеспечивающий самый высокий коэффициент передачи.

Таблица 1

Длина линии передачи

Длина и=1 и=2 N=3 п=4

детекторной холостой короткое холостой короткое

линии ход замыкание ход замыкание

Я„/4 Ян/2 ЗЯ„/4 я„

Я,/8 0,516 0,602 0,615 0,616

Я./4 0,086 0,155 0,212 0,26

Я./2 0,097 0,199 0,287 0,342

Значения коэффициентов передачи, полученные при моделировании в программах Microwave Office и Advanced Design System (ADS) отличались от теоретических на несколько процентов, что подтвердило правильность расчетов.

Для определения максимально возможных скоростей передачи сигнала FFSK, с которыми смогут работать детекторы на длинных линиях, было проведено исследование представленных схем во временной области с помощью си-мулятора переходных процессов в программе ADS. В моделировании использовались детекторы с линиями передачи длиной Х„/4 в режиме холостого хода и длиной 1J2 в режиме короткого замыкания.

Исследование показало, что время установления сигналов в случае коротко-замкнутого отрезка линии передачи на 35% меньше, чем для режима холостого хода. Максимально достигнутое время переключения сигнала в детекторе с линией передачи в режиме короткого замыкания составило 1,25 не, что обеспечивает прием потока данных FFSK на скорости 800 Мбит/с. Результаты моделирования для схемы на двух диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания представлены на рис. 10. Значения времени переключения и скорости передачи для всех рассмотренных схем сведены в табл. 2.

G J- j'l ■и !( ! Ii -,iV Ii. . , ■llfl -a

0 4- С 2-С С- {Ы f t 'г \ : 1 1 i in ( 1 il« ; !i ,1? I'1 f. p V' ti 4 f к ■ \ 1 fe :1 а

Рис. 10. Картина переходного процесса при переключении частот в схеме детектора на двух диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания

Более высокие скорости не удается получить из-за наличия емкости нагрузки амплитудного детектора. Ее значение порядка 4 - 5 пФ приводит к росту времени разряда и не позволяет получить малые значения времени установления выходного сигнала. Снижение емкости ниже 2 пФ влечет за собой резкое увеличение первой гармоники принимаемого сигнала, которая ухудшает чувствительность детектора.

Таблица 2

Время переключения и скорость передачи для различных схем детектора РР5К

Измеряемые Детектор FFSK Детектор FFSK Усовершенствованный

параметры с одним диодом с двумя диодами детектор FFSK

холостой короткое холостой короткое холостой короткое

ход замыкание ход замыкание ход замыкание

т, HC 2 1,3 2 1,25 0,75 0,5

V, Мбит/с 500 770 500 800 1,33 2

Для повышения скорости переключения выхода и обеспечении высокого входного сопротивление амплитудного детектора при большой постоянной времени нагрузки автором предложена схема, приведенная на рис. 11. В ней два диода включены в линию так, что один диод оказывается в узле стоячей волны на нижней частоте, а другой - в узле на верхней частоте. При передаче нижней частоты диод в узле напряжения верхней частоты попадает в положительное электрическое поле, а на верхней - диод в узле напряжения нижней частоты

окажется в отрицательном поле. К емкости с двух сторон подключены специальные диоды, которые замыкают на землю цепи зарядов каждого детекторного диода. Нагрузка диодов представляет собой параллельное соединение емкости и двух резисторов с заземленной средней точкой, подключенное противоположными концами к диодам и двум входам дифференциального усилителя (ДУ). На выходе ДУ выделяется исходная информационная последовательность.

В этой схеме детектора заряд и разряд емкости нагрузки происходит от линии со стандартным сопротивлением через малое сопротивление диодов. Постоянство напряжения импульсов между моментами переключения частот обеспечивается относительно медленным разрядом конденсатора через сопротивление нагрузки, которое равно 1000 Ом. Входное сопротивление амплитудного детектора имеет величину того же порядка. На данную схему усовершенствованного детектора получен патент РФ на полезную модель.

Проведенное моделирование в программе ADS показало, что при использовании усовершенствованных схем время переключения выходного сигнала в детекторе уменьшается в 2,5 раза и обеспечивается детектирование потока данных FFSK на скорости 2 Гбит/с. Применение в качестве заземляющих p-i-n диодов позволяет снизить уровень первой гармоники в выходном сигнале и улучшить чувствительность детектора. Временная зависимость для схемы на p-i-n диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания представлена на рис. 12. Используемые p-i-n диоды имеют общую емкость С= 0,4 пФ, емкость корпуса Ср=0,4 пФ и индуктивность 1=0,45 нГн. Значения времени переключения и скорости передачи для двух вариантов построения усовершенствованной схемы сведены в табл. 2.

05£ -05- А 1......4, ч \ а -4 -1 / \ \ ■ ^ f / 'к \ i, »V • А'- • 1 \ ■ ■ " « 4

А

-1.0-

Рис. 12. Картина переходного процесса при переключении частот в схеме детектора на р-ьп диодах с линией передачи в режиме короткого замыкания

В заключении кратко излагаются основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе диссертационного исследования получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Проведено сравнение различных видов цифровых модуляций. Показано, что частотная манипуляция обеспечивает относительно низкую скорость передачи из-за использования высокодобротных фильтров в радиотрактах для настройки на определенные частоты, что является недостатком классических схем FSK модуляторов и демодуляторов. Определен способ повышения скорости передачи сигналов на основе FSK при использовании малой инерционности диода Ганна в составе модулятора FFSK с быстрым переключением частоты без разрыва фазы, работающего в релаксационном низкодобротном режиме.

2. Предложен метод анализа режимов работы релаксационного модулятора на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик при учете второй гармоники напряжения на нагрузке, что приводит к расширению области сходимости и повышению мощности и коэффициента полезного действия используемого в модуляторе диода Ганна.

3. Разработанный алгоритм расчета импедансных характеристик реализован в виде программы, написанной на языке Delphi, которая позволяет автоматизировать итерационный процесс расчета для различных диодов Ганна с последующим построением импедансных характеристик на диаграмме Смита. Данная программа зарегистрирована в ФИПС.

4. В программе СВЧ моделирования проведен анализ конструкции линейной части модулятора FFSK. Наложением годографа линейной части и импедансных характеристик на диаграмме Смита получены частоты стабильной генерации модулятора. Численным методом на основе процедуры Рунге-Кутта теоретически определены предельные скорости переключения частот в схеме релаксационного модулятора.

5. Определены способы детектирования FFSK сигнала. В качестве частотно-чувствительного элемента малоинерционных детекторов предложены отрезки микрополосковых линий передачи, у которых в сечении с существенно различающимися уровнями стоячей волны принимаемых частот установлены амплитудные детекторы, детектирующие выходной сигнал. Рассмотрены различные варианты построения детекторов FFSK. Теоретически определены уровни сигналов в линии передачи при различных режимах ее работы, выбраны способы подключения детекторных диодов к линии передачи. Для оценки влияния амплитудного детектора на режим стоячей волны рассчитаны коэффициенты передачи в нагрузку.

6. В программах СВЧ моделирования проведен статический и динамический анализ различных схем детекторов FFSK. Установлены зависимости выходных сигналов от параметров схем, даны рекомендации по их выбору. Рассмотрены переходные процессы при переключениях частот, найдено время установления сигналов в различных схемах детекторов FFSK. Получены значения

максимальных скоростей передачи РГБК сигнала, детектирование которых обеспечивается в малоинерционных схемах.

7. Для повышения скорости переключения выходного сигнала и обеспечения высокого входного сопротивление амплитудного детектора при большой постоянной времени нагрузки предложена схема детектора, обеспечивающая детектирование РРБК сигнала, передаваемого на скорости 2 Гбит/с, повышающая быстродействие детектирования в 2,5 раза. На разработанную схему получен патент РФ на полезную модель.

8. Результаты диссертационного исследования использованы в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также в учебный процесс Института ФСБ России (г. С-Петербург).

Таким образом, в диссертационной работе поставлена и решена новая актуальная задача в области передачи данных на основе РРБК модуляции - разработаны метод расчета режимов работы модулятора РРБК и малоинерционные детекторы для таких сигналов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Гринев В.В. Беспроводные локальные сети: тенденции развития // 58-я СНТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2004. - С. 39 - 41.

2. Гринев В.В. Анализ возможности построения высокоскоростного модулятора на основе использования релаксационного режима диодного генератора СВЧ // 60-я СНТК / СПбГУТ. - СПб, 2006. - С. 21 - 25.

3. Гринев В.В. Учет второй гармоники напряжения на диоде Ганна при расчете его импедансных характеристик // Труды учебных заведений связи. Вып. 176. - СПб, 2007. - С. 216 - 223.

4. Гринев В.В., Назаров В.Б. Повышение скорости беспроводных систем передачи данных за счет использования релаксационного режима диодного генератора СВЧ // Проблемы и перспективы совершенствования охраны государственной границы и объектов. Научно-методический сборник №21. часть 3, книга 1 / Институт пограничных войск. Калининград, 2007. - С. 91 - 95.

5. Гринев В.В. Новый взгляд на реализацию РРБК // Мобильные системы.

2008. №01/02. - С. 62 - 65. (Из перечня ВАК РФ)

6. Гринев В.В., Устименко В.М. Способы детектирования высокоскоростного ВСРН-сигнала // Информационно-измерительные и управляющие системы.

2009. №8. - С. 50 - 54. (Из перечня ВАК РФ)

7. Гринев В.В. Планирование беспроводных локальных сетей стандарта 802.11 // 58-я НТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2006. - С. 59.

8. Гринев В.В. Учет второй гармоники напряжения на диоде Ганна при расчете его адмиттансных характеристик // 59-я НТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2007. - С. 75 - 76.

. 9. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Анализ методов построения высокоскоростного радиомодема // 59-я НТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2007. - С. 74-75.

10. Гринев В.В., Назаров В.Б. Моделирование конструкции модулятора FFSK на двухдиодном генераторе Ганна Н 60-я НТК: материалы / СПбГУТ. -СПб, 2008.-С. 65.

11. Гринев В.В., Назаров В .Б., Устименко В.М. Высокоскоростное детектирование FFSK сигнала // 61-я НТК: материалы / СПбГУТ. - СПб, 2009. - С. 102 -103.

12. Гринев В.В., Назаров В.Б. Программа расчета импедансных характеристик релаксационного генератора на диоде Ганна: свид. об офиц. per. npoip. для ЭВМ № 2007615090 Рос. Федерация. № 2007614811 ; заявл. 27.11.2007 ; опубл. 11.12.2007.

13. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Детектор сверхвысоких частот: пат. на пол. модель № 82389 Рос. Федерация. № 2008144992/22 ; заявл. 07.11.08 ; опубл. 20.04.09. Бюл. № 11.

Подписано к печати 18.02.2010 Объем 1 печ. л. Тираж 80 экз. Заказ № 52

Тип. СПбГУТ. 191186, Санкт-Петербург, наб. р. Мойки, 61

ВВЕДЕНИЕ

Глава 1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ.

1.1. Современные беспроводные системы передачи данных.

1.2. Анализ и сравнение способов модуляции в современных системах связи.

1.3. Пути повышения скорости передачи FSK сигнала.

1.3.1. Перспективы использования FSK модуляции в диапазоне СВЧ.

1.3.2. Релаксационный низкодобротный режим работы модулятора FFSK.

1.3.3. Режимы работы диода Ганна. Область применения.

1.4. Выводы по главе 1.:.

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОСТРОЕНИЯ РАДИОМОДЕМА FFSK.

2.1. Постановка задачи.

2.2. Анализ частотной модуляции FSK.

2.2.1. Когерентная и некогерентная FSK.'.

2.2.2. Модуляция с минимальным сдвигом.

2.2.3. Спектральная плотность мощности для CPFSK.

2.2.4. Вероятность ошибки для сигнала CPFSK.

2.2.5. Выводы.

2.3. Выбор метода проектирования модулятора.

2.3.1. Структура двухдиодного СВЧ модулятора на диоде Ганна.

2.3.2. Выбор метода проектирования: импедансные характеристики, годограф.

2.4. Выбор структуры детектора FFSK сигнала.

2.5. Выводы по главе 2.

Глава 3. РЕЛАКСАЦИОННЫЙ МОДУЛЯТОР FFSK НА ДИОДЕ ГАННА.

3.1. Анализ импедансных характеристик модулятора на диоде Ганна, работающем в режиме ОНОЗ.

3.1.1. Аналитическое представление тока и напряжения на диоде Ганна в установившемся релаксационном режиме ОНОЗ.

3.1.2. Гармонический анализ напряжения и тока диода Ганна.

3.1.3. Метод расчета импедансных характеристик релаксационного модулятора.

3.1.4. Программа расчета импедансных характеристик и анализ ее результатов.

3.2. Реализация конструкции СВЧ FFSK модулятора. Построение годографа с помощью специальной программы моделирования линейной части СВЧ конструкции.

3.2.1. Описание прототипа конструкции линейной части модулятора FFSK.

3.2.2. Построение годографа. Определение частот стабильной генерации.

3.3. Экспериментальное исследование модулятора FFSK.'.

3.4. Определение быстродействия модулятора FFSK на диоде Ганна.

3.5. Выводы по главе 3.

Глава 4. АНАЛИЗ МАЛОИНЕРЦИОННОГО ДЕМОДУЛЯТОРА FFSK.

4.1. Определение уровней сигналов в линии передачи при различных режимах ее работы.

4.2. Выбор параметров детекторной линии.

4.2.1. Определение входного сопротивления подключенной детекторной линии с нагрузкой.

4.2.2. Определение коэффициента передачи детектора FFSK.

4.3. Статический анализ детекторных схем.

4.3.1. Детектор FFSK с одним амплитудным детектором.

4.3.2. Детектор с двумя амплитудными детекторами.

4.3.3. Модель детектора FFSK сигнала с повышенным входным сопротивлением.

4.3.4. Выводы.

4.4. Динамическое исследование детекторов FFSK.

4.4.1. Детектор FFSK с одним амплитудным детектором.

4.4.2. Детектор FFSK с двумя амплитудными детекторами.

4.4.3. Модель детектора FFSK сигнала на основе амплитудного детектора с повышенным входным сопротивлением.

4.4.4. Возможные пути совершенствования быстродействующих детекторов FFSK сигнала.

4.4.5. Выводы.

Актуальность проблемы. Современный уровень техники радиосвязи не исчерпал потребность в скоростных каналах передачи. Широкое внедрение компьютерных технологий привело к существенному росту объема цифровых данных, передаваемых в режиме реального времени. При этом растет не только количество таких информационных потоков, но и одновременно повышаются требования к качеству передаваемой информации. Если еще несколько лет назад достаточно было передавать по радиоканалу речевой сигнал, то сейчас возникают вопросы о передаче мультимедийных сообщений, повсеместном высокоскоростном доступе в глобальную сеть, передаче потокового видео в режиме реального времени, видеоконференцсвязи. Потребность передачи возрастающего объема информации- неизбежно приводит к необходимости повышения скорости передачи данных. Из этого следует, что проблема увеличения быстродействия* каналов > радиосвязи не теряет своей актуальности и по сегодняшний день.

На- данный момент самыми, распространенными и быстро развивающимися системами высокоскоростной беспроводной- связи являются WLAN 802.11b, 802.1 lg, 802.11а, 802.1 In, Bluetooth, WiMAX, Wireless USB. Основу перечисленных систем составляют различные фазовые (BPSK, QPSK) или квадратурные амплитудные модуляции^ (QAM-16, QAM-64, QAM-256). Их применение позволяет увеличить эффективность использования спектра частот (ЭИС). При этом для низкоскоростной' модуляции QPSK ЭИС составляет 2 бит/с/Гц. Но такой показатель не может обеспечить высокие скорости передачи. Поэтому используются многопозиционные модуляции QAM-16, QAM-64, QAM-256, QAM-1024, которые обеспечивают рост ЭИС в 2 - 5 и более'раз по сравнению с QPSK. В этом случае увеличение числа позиций приводит к необходимости повышать отношение сигнал-шум на входе детектора. Это требует увеличения мощностей передачи сигналов в обоих направлениях, либо сокращения дальности связи. Возрастают также требования к линейности усилителей для уменьшения уровня интермодуляционных продуктов.

Таким образом, широко распространенные многопозиционные фазовая и t квадратурная амплитудная модуляции обеспечивают экономию частотного спектра, но при этом требуют повышения мощности несущей, чтобы компенсировать возрастающее отношение сигнал/шум. Этот эффект неизбежно приводит к увеличению потребляемой энергии, что отрицательно скажется на времени работы мобильных устройств, таких как Bluetooth, Wireless USB и т.д.

Другим способом дополнительной экономии частотного спектра является применение интеллектуального массива антенн с технологией множественных входов и выходов (Multiple Input Multiple Output - MIMO). Пространственное разнесение элементов антенного массива позволяет применить разделение потока данных на несколько независимых подпотоков и передачу их одновременно в одном частотном диапазоне. Использование многоэлементных антенн дает возможность корректно, принимать многолучевые сигналы, образующиеся вследствие отражений: Но эта технология существенно усложняет структуру устройств и увеличивает их стоимость.

Альтернативой PSK и QAM может быть частотная манипуляция FSK, которая не требует высокой линейности тракта усиления, и при ее реализации могут использоваться нелинейные усилители. Такая модуляция представляет особый интерес для мобильных передатчиков, работающих от автономного блока питания. У частотной модуляции есть ряд преимуществ. Использование FSK упрощает радиочастотный тракт, так как огибающая сигнала остается, постоянной. При FSK требуется, чтобы переход от старой частоты сигнала к новой происходил максимально быстро (от этого зависит скорость передачи), что приводит к прерывному изменению выходного сигнала, во время которого выделяется много энергии на частотах, выходящих за рамки используемого частотного диапазона. Ограничение скорости модуляции частотных модуляторов несущей частоты в современных СВЧ системах ра) диосвязи связано с тем, что для возбуждения гармонических колебаний в схеме генератора нагруженная добротность контура, подключенного к активному элементу генератора, должна быть больше некоторой предельной величины, зависящей от типа активного элемента.

Повышение скорости передачи на основе FSK возможно при использовании элементов с малой инерционностью. Таким элементом является диод Ганна. Это устройство характеризуется собственной постоянной времени порядка единиц пикосекунд, что позволяет считать его перспективным для высокоскоростных систем передачи данных. Малая инерционность диода Ганна наиболее полно может быть реализована в релаксационном низкодобротном режиме его работы в составе модулятора с быстрым переключением частоты (FFSK, Fast Frequency Shift Keying).

Таким образом, разработка методов построения высокоскоростного радиомодема является актуальной проблемой для,систем радиосвязи. Одним из путей решения указанной проблемы может служить использование малой инерционности релаксационного генератора на диоде Ганна для создания быстродействующейГР8К модуляции.

Объект исследования: высокоскоростная беспроводная передача данных.

Предмет исследования: построение модулятора и демодулятора, обеспечивающих прием и передачу малоинерционного FFSK сигнала, полученного с помощью низкодобротного релаксационного режима работы диода Ганна.

Целью диссертационной работы является разработка высокоскоростного FFSK радиомодема, работающего с использованием малой инерционности релаксационного генератора на диоде Ганна, и проведение его экспериментального и компьютерного моделирования.

В соответствии с основной целью и предметом исследования определены основные задачи исследования:

- провести анализ современных систем высокоскоростной беспроводной передачи данных; сравнить используемые в них виды модуляции; детально рассмотреть возможности непрерывной (без разрыва фазы) FSK модуляции; исследовать методы получения FFSK модуляции на основе релаксационного генератора; выбрать необходимый режим работы диода Ганна для обеспечения малой инерционности FFSK модуляции;

- разработать метод анализа модулятора на основе релаксационного генератора на диоде Ганна;

- на основе разработанного метода построения, модулятора создать алгоритм, написать и отладить программу автоматизации расчетов;

- определить и исследовать модель быстродействующего демодулятора; подходящего для детектирования FFSK сигнала без разрыва фазы. Рассмотреть различные схемы детектирования, проанализировать их и дать рекомендации по способам построения и выбору параметров детекторов FFSK;

- провести экспериментальное исследование" модулятора и математическое моделирование1 детектора FFSK сигнала с применением специальных программ;

- обеспечить внедрение полученных результатов.

Методологическую, и теоретическую основы исследования* составили научные труды отечественных и зарубежных авторов в-области передачи данных, СВЧ анализа.

Методы проведения исследований. Для решения, поставленных задач использовались методы- математического моделирования, метод конечных элементов, методы нелинейного анализа-в СВЧ проектировании (метод гармонического баланса), численные методы на основе уточняющей процедуры Рунге-Кутта, программирование в среде Delphi, метод обобщения* опыта.

Научная новизна и новые полученные результаты:

1. Показано, что для построения высокоскоростного СВЧ FFSK радиомодема удобно использовать релаксационный низкодобротный режим работы диода Ганна.

2Г. Разработан новый метод анализа релаксационного генератора на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик с учетом второй гармоники напряжения на нагрузке. Отличие разработанного метода состоит в том, что ранее при расчете импедансных характеристик генератора на диоде Ганна вторая гармоника напряжения на нагрузке не учитывалась, что ограничивает область импедансов нагрузки, в которой итерационная процедура сходится. При этом выпадает из анализа область импеданса, соответствующая большему коэффициенту полезного действия диода. При учете второй гармоники в напряжении на нагрузке диода Ганна обеспечивается'форма колебания напряжения на кристалле диода, которая позволяет получить улучшения по коэффициенту полезного действия и чувствительности управления частотой. Особенно это важно при создании модулятора; в котором дляс повышения быстродействия необходимо получить согласование с нагрузкой по первой гармонике, а управление переключением частот проводить по второй.

3. Разработана и реализована программа расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна. Структура программы, а также использованный при её написании язык Delphi; сделали? возможным её применение не только в научно-исследовательских целях, но и как законченный программный продукт. Данная программа зарегистрирована в ФИПС (свидетельство №■ 2007615090).

4. Разработаны модели быстродействующего детектора, пригодного для детектированияТРБК. Даны рекомендации.по способам их построения.

Практическая значимость и реализация,результатов работы:

1. Теоретическое решение задачи расчета импедансных характеристик генератора на диоде Ганна позволило создать высокоскоростной модулятор для формирования FFSK сигнала.

2. На* основе предложенного метода разработано и внедрено программное обеспечение, позволяющее организовывать автоматический расчет импедансных характеристик генератора на диоде Ганна с учетом и без учета второй гармоники напряжения на нагрузке.

3. Определена модель быстродействующего демодулятора, способного детектировать FFSK сигнал без разрыва фазы.

4. Решение задачи построения высокоскоростного радиомодема на базе релаксационного режима работы диода Ганна получено впервые и позволяет по аналогии в дальнейшем повысить скорость передачи в канале при использовании многопозиционной FFSK модуляции.

5: Материалы диссертационной работы использовались в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», в учебном процессе Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича при подготовке инженеров по специальностям 210405 -«Радиосвязь, радиовещание и телевидение», 210402 - «Средства связи с подвижными объектами», направлению 210400 «Телекоммуникации» профессионально-образовательной программы «Антенны и устройства СВЧ», а также Института ФСБ РФ (г. С-Петербург). Внедрение результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами.

Апробация работы. Полученные в-работе результаты докладывались и обсуждались на.научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава СПбГУТ им. проф. М.А. Бонч-Бруевича в Санкт-Петербурге в 2004-2009 годах:

Публикации; Основное содержание диссертации изложено в 13 печатных работах, включая 5 публикаций-в виде тезисов докладов, 6 статей из них 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК, а также в одной заявке на полезную модель, по которой получен-патент РФ № 82389 и одной заявке на регистрацию программы, по которой получено свидетельство № 2007615090.

Структура и. объём диссертационной'работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав с выводами, заключения, списка литературы и четырех приложений. Основная часть работы содержит 179 страниц текста, 83 рисунка, 5 таблиц, включает 92 наименования отечественной и зарубежной литературы, объем приложений составляет 17 страниц.

4.4.5. Выводы

Исследование динамических свойств различных схем быстродействующих детекторов FFSK сигнала в программе ADS показало:

1. В обычных схемах D1 и D2 с одной детекторной линией максимально возможная скорость детектируемого сигнала ограничивается параметрами нагрузки. Схемы с двумя детекторными линиями D3 и D4 за счет работы с разностным выходным сигналом улучшают чувствительность системы, но при этом скорость переключения по-прежнему ограничена параметрами нагрузки. В схемах с высоким входным сопротивлением D5 и D6 такого эффекта нет, поэтому скорость детектируемого потока цифровых данных в два раза больше.

2. Предположения об уменьшении быстродействия при увеличении длины линии передачи в процессе моделирования в программе ADS не подтвердились, по-видимому, из-за сильного влияния на стоячую волну в ней подключенных детекторных линий. В случае детектора с линией передачи в режиме короткого замыкания это приводит к наличию ненулевого уровня напряжения в узле нижней частоты.

3. Максимальная скорость передачи для специальных схем детекторов, построенных на базе полезной модели «Детектора сверхвысоких частот» [77], составляет 2 Гбит/с.

171

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Альтернативой PSK и QAM может быть FSK, позволяющая применять усилители с высоким кпд. Скорость переключения частоты при FSK модуляции определяет быстродействие канала связи. Одним из путей повышения скорости передачи на основе FSK является использование элементов с малой инерционностью. В ходе исследования возможных вариантов построения высокоскоростного модулятора и малоинерционного детектора FFSK сигнала получены следующие теоретические и практические результаты:

1. Проведено сравнение различных видов цифровых модуляций. Показано, что частотная манипуляция обеспечивает относительно низкую скорость передачи из-за использования высокодобротных фильтров в радиотрактах для настройки на определенные частоты, что является недостатком классических схем FSK модуляторов и демодуляторов. Определен способ повышения скорости передачи сигналов на основе FSK при использовании малой инерционности диода Ганна в составе модулятора FFSK с быстрым переключением частоты без разрыва фазы, работающего в релаксационном низкодобротном режиме.

2. Предложен метод анализа режимов работы релаксационного модулятора на диоде Ганна на основе расчета его импедансных характеристик при учете второй гармоники напряжения на нагрузке, что приводит к расширению области сходимости и повышению мощности и коэффициента полезного действия используемого в модуляторе диода Ганна.

3. Разработанный алгоритм расчета импедансных характеристик реализован в виде программы, написанной на языке Delphi, которая позволяет автоматизировать итерационный процесс расчета для различных диодов Ганна с последующим построением импедансных характеристик на диаграмме Смита. Данная программа зарегистрирована в ФИПС.

4. В программе СВЧ моделирования проведен анализ конструкции линейной части модулятора FFSK. Наложением годографа линейной части и импедансных характеристик на диаграмме Смита получены частоты стабильной генерации модулятора. Численным методом на основе процедуры Рунге-Кутта теоретически определены предельные скорости переключения частот в схеме релаксационного модулятора.

5. Определены способы детектирования FFSK сигнала. В качестве частотно-чувствительного элемента малоинерционных детекторов предложены отрезки микрополосковых линий передачи, у которых в сечении с существенно различающимися уровнями стоячей волны принимаемых частот установлены амплитудные детекторы, детектирующие выходной сигнал. Рассмотрены различные варианты построения детекторов FFSK. Теоретически определены уровни сигналов в линии передачи при различных режимах ее работы, выбраны способы подключения детекторных диодов к линии передачи. Для оценки влияния амплитудного детектора на режим стоячей волны рассчитаны коэффициенты передачи в нагрузку.

6. В программах СВЧ моделирования проведен статический и динамический анализ различных схем детекторов FFSK. Установлены зависимости выходных сигналов от параметров схем, даны рекомендации по их выбору. Рассмотрены переходные процессы при переключениях частот, найдено время установления сигналов в различных схемах детекторов FFSK. Получены значения максимальных скоростей передачи FFSK сигнала, детектирование которых обеспечивается в малоинерционных схемах.

7. Для повышения скорости переключения выходного сигнала и обеспечения высокого входного сопротивление амплитудного детектора при большой постоянной времени нагрузки предложена схема детектора, обеспечивающая детектирование FFSK сигнала, передаваемого на скорости 2 Гбит/с, повышающая быстродействие детектирования в 2,5 раза. На разработанную схему получен патент РФ на полезную модель.

8. Результаты диссертационного исследования использованы в ФГУП «НИИ «Рубин» при выполнении НИР «Размерность», внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского государственного университета телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, а также в учебный процесс Института ФСБ России (г. С-Петербург).

Таким образом, в диссертационной работе поставлена и решена новая актуальная задача в области передачи данных на основе FFSK модуляции -разработаны метод расчета режимов работы модулятора FFSK и малоинерционные детекторы для таких сигналов.

1. Гринев В.В. Анализ возможности построения высокоскоростного модулятора на основе использования релаксационного режима диодного генератора СВЧ // 60-я СНТК / СПбГУТ. СПб, 2006. - С. 21 - 25.

2. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Анализ методов построения высокоскоростного радиомодема // 59-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2007.-С. 74-75.

3. Гринев В.В. Беспроводные локальные сети: тенденции развития // 58-я СНТК / СПбГУТ. СПб, 2004. - С. 39 - 41.

4. Акцент на коммуникации // Computerworld. 2006. № 14. С. 24

5. Прокис Дж. Цифровая связь. М.: Радио и связь, 2000. - 800 с.

6. Столингс В. Современные компьютерные сети. 2-е изд. СПб.: Питер, 2003. - 783 с.

7. Eric Ouellet, Robert Padjen, Arthur Pfund. Building A Cisco Wireless LAN. -Syngress Publishing, 2002. 501 p.

8. Хелд Г. Технологии передачи данных. 7-е изд. СПб.: Питер, К. Издательская группа BHV, 2003. - 720 с.

9. Педжман Р., Джонатан JI. Основы построения беспроводных локальных сетей стандарта 802.11.: Пер. с англ. -М.: Издательский дом «Вильяме», 2004. 304 с.

10. Шахнович И. Современные технологии беспроводной связи. 2-е изд. М.: Техносфера, 2006. - 288 с.

11. IEEE 802.1 lg Standard for Information technology Telecommunications and information exchange between systems - Local and metropolitan area networks — Specific requirements. Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and

12. Physical Layer (PHY) specifications. Amendment 4: Further Higher Data Rate Extension in the 2.4 GHz Band // IEEE, 2003.

13. Ron Olexa. Implementing 802.11, 802.16, and 802.20 Wireless Networks Planning, Troubleshooting and Operations. Newnes. New York, NY, 2004. 232 p.

14. Бараш JI. Технология MIMO новая ставка в беспроводных сетях // Компьютерное Обозрение. 2003. № 42. URL: http://ko-online.com.ua/node/15263 (дата обращения: 12.11.2003).

15. Портной С.Л. Перспективы развития беспроводного широкополосного доступа // Вестник связи. 2004. № 9. С. 31 - 41.

16. IEEE P802.16-REVd/D5-2004 // Draft IEEE Standard for Local and metropolitan area networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access Systems // 2004-05-13.

17. Mobile WiMAX Part I: A Technical Overview and Performance Evaluation // WiMAX Forum. August, 2006. URL: http://www.wimaxforum.org/technology/ dounloads (дата обращения: 21.10.2006).

18. IEEE P802.16e/D8, Amendment for Physical and Medium Access Control Layers for Combined Fixed and Mobile Operation in Licensed Bands, May 2005.

19. Ultra-Wideband (UWB) Technology: Enabling High-Speed Wireless Personal Area networks, Intel, March 2005. URL: http://www.intel.com/technology/ comms/uwb/ download/ Ultra-Wideband.pdf (дата обращения: 01.10.2005).

20. Wireless USB: The First High-Speed Personal Wireless Interconnect, Intel, March 2005. URL: http://www.intel.com/technology/comms/wusb/download/ wirelessUSB.pdf (дата обращения: 01.10.2005).

21. Multiband OFDM Physical Layer Specification (Revl), Jan 14, 2005. WiMe-dia Alliance. URL:http://wimedia.org/en/resources/mboaarchives.asp (дата обращения: 01.10.2005).

22. Вишневский B.M., Ляхов А.И., Портной СЛ., Шахнович И.В. Широкополосные беспроводные сети передачи информации. -М.: Техносфера, 2005. 592 с.

23. David Kammer, Gordon McNutt, Brian Senese. Bluetooth Application Developer's Guide: the short range interconnect solution. Syngress Publishing, 2002. - 526 p.

24. Bluetooth specification Version 2.1 + EDR vol 0. 26 July 2007. URL: http://www.bluetooth.com (дата обращения: 10.09.2007).

25. Феер К. Беспроводная цифровая связь. Методы модуляции и расширения спектра: Пер. с англ. / Под ред. В.И. Журавлева. М.: Радио и связь, 2000. 520 с.

26. M.N. Chesnokov. "New Multifrequent M-ary Ortogonal Chaotic Broadband Signals and Methods of their Reception with Channel Features Evalution", 8th International Symposium on Communication Theory and Applications, 17-22 July 2005.

27. K. Li, I. Darwazeh. "Analysis of performance comparison of Fast-OFDM system and overlapping multicarrier CDMA systems", 9th International Symposium on Communication Theory and Applications, 16-20 July 2007.

28. Гвозденко А.А. Спутниковые системы связи: состояние и перспективы // Зарубежная радиоэлектроника. 1990. № 9. С. 3 33.

29. Гринев В.В. Планирование беспроводных локальных сетей стандарта 802.11 // 58-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2006. - С. 59.

30. A. Wang, С. Sodini, On the energy efficient of Wireless transceivers // Communications, ICC '06. IEEE International Conference on. 2006. Vol. 8. P. 3783 - 3788.

31. A. Wang, S. Cho, C. Sodini and A. Chandrakasan, Energy efficient modulation and MAC for asymmetric RF microsensor systems, in Proc. Int. Symp. Low Power Design (ISLPED). 2001. P. 106 - 111.

32. H.Hayashi, N. Nakatsugawa and M.Muraguchi. Quasi-linear amplification using self phase distortion compensation technique, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 1995. Vol. 43. P. 2557 - 2564.

33. S.-H. Cho and A. Chandrakasan. A 6.5 GHz CMOS FSK modulator for wireless sensor applications, ШЕЕ Symp. VLSI Circuits Dig. Tech. Papers. 2002. P. 182 - 185.

34. D. McMahill, C. Sodini. A 2.5-Mb/s GFSK 5.0-Mb/s 4-FSK Automatically Calibrated S-A Frequency synthesizer, IEEE Journal of Solid-State Circuits. 2002. Vol. 37, no. 1.-P. 18-26.

35. C. Luo, M. Medard. Frequency-shift keying for ultrawideband — achieving rates of the order of capacity. In 40th Annual Allerton Conference on Communication, Control and Computing, October 2002.

36. C. Luo, M. Medard. Performance of single-tone and Two-tone FSK for ultrawideband. In 36th Asilomar Conference on Signals, Systems and Computers, November 2002.

37. M. Wetz, I. Perisa, W.G. Teich, J. Lindner, OFDM-MFSK with Differentially Encoded Phases for Robust Transmission over Fast Fading Channel. In Proc. 11th International OFDM Workshop, Hamburg, Germany, August 2006.

38. Leib H. and Pasupathy S. Error control properties of minimum shift keying. IEEE Communications Magazine, Vol. 31, No. 1, pp. 52 — 61, January 1993.

39. Тормышов С.А., Баушев C.B. Космический участок широкополосных цифровых сетей интегрального обслуживания // Зарубежная радиоэлектроника. 1997. №3.-С. 18-34.

40. Царапкин Д.П. Генераторы СВЧ на диодах Ганна. М.: Радио и связь, 1982. 81 с.

41. Отчет по НИР № 190-93-054. Исследование методов построения СВЧ устройств для сверхбыстродействующих систем связи на базе релаксационных генераторов Ганна. Шифр: «Аспект СПбГУТ, раздел 9.5а», СПб, 1996.

42. Отчет по НИР № 190-93-054. Исследование и разработка принципов построения СВЧ усилителей, сочетающих высокий КПД и повышенную линейность. Шифр: «Аспект СПбГУТ, раздел 9.5», СПб, 2000.

43. P. Jeppesen and B.I. Jeppsson. LSA relaxation oscillator principles // IEEE Trans, on ED. 1971. VED-18. - № 7. - P. 432 - 449.

44. W.O.Jr. Camp. Experimental observation of oscillator waveform in GaAs from less then transit-time frequency to several times transit-time frequency // Proceeding of IEEE, 1971, Vol. 59, № 8. P. 1248.

45. Новые методы полупроводниковой СВЧ-электроники. Эффект Ганна и его применение. / Под ред. В.И.Стафеева. М.: Мир, 1968. - 376 с.

46. P.T. Bulman, G. S. Hobson, and B.C. Taylor. Transferred electron devices. Academic Press, London, 1972. 402 p.

47. G. S. Hobson. The Gunn Effect. Clarendon Press, Oxford, 1974. 140 p.

48. Левинштейн M.E., Пожеда Ю.К., Шур M.C. Эффект Ганна. М.: Сов. Радио, 1975.-288 с.

49. Н. Ibach and Н. Lueth. Solid-State Physics. Springer Verlag, 2003. 501 p.

50. Кэррол Д. СВЧ-генераторы на горячих электронах. / Пер. с англ. М.Е. Левинштейн, М.С. Шур. -М.: Мир, 1972. 382 с.

51. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. М.: Мир, 1979. - 444 с.

52. Назаров В.Б. Улучшение характеристик генераторов на диодах Ганна, применяемых в радиорелейных линиях связи: Автореф. дис. канд. техн. наук. / ЛЭИС. Л., 1988.

53. G.S. Hobson. Velocity-field characteristics for l.s.a. operation. Solid-State Electronics, 15:1107, 1972.

54. Еру И.И. Терагерцная техника и технология: современное состояние, тенденции развития и перспективы практического применения // Зарубежная радиоэлектроника. 1997. № 3. С. 51 76.

55. Е. Alekseev and D. Pavlidis. Microwave potential of GaN-based Gunn devices. Electronics Letters, 36:176, 2000.

56. J.D. Albrecht, R.P. Wang, P.P. Ruden, M. Farahmand, and K.F. Brennan. Electron transport characteristics of GaN for high temperature device modelling. Journal of Applied Physics, 83(9):4777 4781, 1998.

57. J.P. Sun, G.I. Haddad, P. Mazumder, and J.N. Schulman. Resonant tunneling diodes: models and properties. Proceedings of the IEEE, 86(4): 641 660, April 1998.

58. S. Hutchinson, J. Stephens, M. Carr, and M. J. Kelly. Implant isolation scheme for current confinement in graded-gap Gunn diodes. Electron. Lett., 32(9): 851 -852, April 1996.

59. A Graded-gap Gunn Diode Voltage Controlled Oscillator for Adaptive Cruise Control. Marconi Applied Technologies, Chelmsford, UK, Microwave Journal, (300), My 2002. URL: http://www.mwjournal.com (дата обр.: 10.09.2006).

60. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. Изд. 2-е, испр.: Пер. с англ. М.: Издательский дом «Вильяме», 2003. - 1104 с.

61. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике. — М.: Наука, 1981.-720 с.

62. M.L. Doelz, Е.Н. Heald. Minimum Shift Data Communications. US Patent No. 2,977,417, March 28, 1961. Assigned to the Collins Radio Company.

63. Банкет В.JI., Дорофеев В.М. Цифровые методы в спутниковой связи. М.: Радио и связь, 1988. - 240 с.

64. Слюсар В.И., Васильев К.А., Уткин Ю.В. Исследования возможностей частотного уплотнения сигналов N-OFDM на основе базисных функций Хартли // Радиоэлектронные и компьютерные системы. 2006. № 6 (18). — С. 215 — 218.

65. Назаров В.Б., Овчинников К.Д. Генератор СВЧ: свид. на пол. модель № 9553 Рос. Федерация. № 98111909/20 ; заявл. 22.06.98; опубл. 16.03.99. Бюл.№3.

66. Гринев В.В. Учет второй гармоники напряжения на диоде Ганна при расчете его импедансных характеристик // Труды учебных заведений связи. Вып. 176. СПб, 2007. - С. 216 - 223.

67. Гринев В.В. Новый взгляд на реализацию FFSK // Мобильные системы. 2008. №01/02.-С. 62-65.

68. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Высокоскоростное детектирование FFSK сигнала //61-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб., 2009. - С. 102-103.

69. Мейнке X., Гундлах Ф. Радиотехнический справочник. Том 2. М.: Гос-энергоиздат, 1962. - 576 с.

70. Гринев В.В., Устименко В.М. Способы детектирования высокоскоростного ВСРН-сигнала // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2009. №8.-С. 50-54.

71. Гринев В.В., Назаров В.Б., Устименко В.М. Детектор сверхвысоких частот: пат. на пол. модель № 82389 Рос. Федерация. № 2008144992/22 ; заявл. 07.11.08 ; опубл. 20.04.09. Бюл. № 11.

72. R.R. Spiwak. Getting LSA started. Electronics. 1969. Vol. 49. № 4. - P. 89.

73. Гринев B.B., Назаров В.Б. Программа расчета импедансных характеристик релаксационного генератора на диоде Ганна: свид. об офиц. per. прогр. для ЭВМ № 2007615090 Рос. Федерация. № 2007614811 ; заявл. 27.11.2007 ; опубл. 11.12.2007.

74. Культин Н.Б. Delphi 6. Программирование на Object Pascal. СПб.: БХВ-Петербург, 2003. - 528 с.

75. Анализ и оптимизация трехмерных СВЧ-структур с помощью HFSS / Под редакцией д.т.н., проф. Банкова С.Е. Изд. 2-е, дополненное. М.: СОЛОН-Пресс, 2005.-216 с.

76. Автоматизированное проектирование устройств СВЧ / Под редакцией В.В. Никольского. М.: Радио и Связь, 1982. 272 с.

77. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин А.А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под редакцией В.Д. Разевига. Солон-Пресс, 2003.-496 с.

78. HFSS High Frequency Structure Simulation. Manuals, Agilent, 2000.

79. Гринев В.В., Назаров В.Б. Моделирование конструкции модулятора FFSK на двухдиодном генераторе Ганна // 60-я НТК: материалы / СПбГУТ. СПб, 2008.-С. 65.

80. Бахвалов Н.С., Жидков Н.П., Кобельников Г.М. Численные методы. М.: Лаборатория базовых знаний, 2001. 632 с.

81. Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1987 - 432 с.

82. Фуско В. СВЧ цепи. Анализ и автоматизированное проектирование: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. - 288 с.

83. Конструирование экранов и СВЧ устройств: Учебник для вузов / Под ред. A.M. Чернушенко. -М.: Радио и связь, 1990. 352 с.

84. Фельдштейн A.JL, Явич JI.P., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. — М.: Советское радио, 1967. 651 с.

85. Фриск В.В. Основы теории цепей. Использование пакета Microwave Office для моделирования электрических цепей на ПК. Солон-Пресс, 2004. -160 с.

86. Стивен Маас. Нелинейный анализ в СВЧ проектировании // Инженерная микроэлектроника. № 2, 1998. С. 30 34.